2FE

MATERIA – NOD AL INFINITULUI?

Model atomic si nuclear

-ipoteza-

Istoric: Atomul, in micimea lui, trebuie sa cuprinda raspunsuri la o multitudine de intrebari. In fond, ce este gravitatia? Care este natura, cauza gravitatiei? Analizand miscarile lunii in jurul pamantului, Newton scria: "Pana acum am numit forta centripeta, fortele cu care corpurile ceresti sunt mentinute pe orbitele lor. Dar, constatam ca ea este aceeasi cu gravitatea (greutatea) si de aceea, de acum inainte o vom numi GRAVITATIE"

In fig.1, este reprezentat pamantul si satelitul sau natural luna. Explicatiile functionarii acestui sistem, ne furnizeaza noi intrebari: Care este natura, cauza fortei centrifuge? Dar a fortei centripete? Au ceva comun aceste forte? Sunt cumva unul si acelasi fenomen? Vorbim aici despre miscare inertiala. Cum sa ne explicam fenomenul "miscare inertiala"? Probabil aceste intrebari il framantau si pe Newton cand spunea: "Pana acum am expus fenomenele cerurilor si ale marii noastre, dar inca nu am dat cauza gravitatiei. Aceasta forta se naste dintr-un spirit oarecare ce patrunde pana in centrul soarelui si al planetelor… Dar pana acum nu am putut inca afla cauza acestor proprietati si nu imaginez ipoteze"

Si intrebarile continua… Ce stim despre natura campului electric? (fig.2). Se poate generaliza acest fenomen la nivelul oricarei particule materiale? De ce? Liniile de camp sunt continue sau discontinue? Aceleasi intrebari sunt puse si fenomenului magnetic (fig.3) Oare liniile de camp ale unui magnet, apartin corpului magnetic, adica un fel de "mustati" prelungite in spatiu? Este greu de imaginat un tablou in care fiecare graunte material, sa dispuna de astfel de prelungiri la infinit. Daca vom considera o forma materiala in univers, care sa poata fi influentata ca dispunere de cauze proprii particulei materiale, campurile electric si magnetic, ar putea capata un inteles logic. Cunoastem ca in chimie, atomii reactioneaza specific, in functie de valenta si putem prevedea rezultatul. Mai mult, putem prevedea si forma spatiala a moleculei rezultate (fig.4). Aceasta inseamna ca valenta, punctele de legatura, au o topografie specifica fiecarui element. Deci, asezarea acestor puncte pe suprafata atomilor, nu este intamplatoare. Cum se explica stabilitatea si topografia specifica a punctelor de legatura pe suprafata atomilor fiecarui element?

ETER

Filozoful grec Aristotel (335 ien.) referindu-se la ordinea naturii, reia sistemul celor patru elemente suprapuse - focul, aerul, apa, si pamantul , pentru sfera sublunara, la care adauga un al cincilea "chintesenta", eterul, pentru regiunile superioare. Sub aceasta influenta probabil, notiunea de eter a servit si ca mijlocitor al interactiunilor gravitationale. In 1801, la 100 de ani de la disputa lui Newton si Huygens privind natura corpusculara, respectiv ondulatorie a luminii, fizicianul englez Thomas Young si fizicianul francez Augustin Fresnel, se vad nevoiti prin studiile lor, sa revina la teoria ondulatorie a luminii, elaborata de Huygens prin analogie cu teoria undelor sonore. Cum undele sonore au ca mediu modulat aerul, de natura materiala, Huygens presupune ca undele luminoase care se propaga si in vid, moduleaza eterul cosmic, tot de natura materiala, existent pretutindeni si patrunzand in toate corpurile. Fresnel adanceste mult cercetarile privind proprietatile eterului si in acest sens a imaginat si efectuat experimentari care au atras si alti fizicieni la studierea acestui fluid. Faraday a introdus pentru prima data in fizica ideea dupa care campul electric si campul magnetic sunt entitati materiale si ca energia acestor campuri consta in proprietatea de a se deforma a eterului electromagnetic. Referindu-se la campul magnetic, la campul electric si la eterul purtator al luminii cu contrazisele-i proprietati, - rigiditate infinita si elasticitate infinita - Maxwell arata ca de fapt un eter unic, dar inca invaluit in mister, era suficient in toate cele trei cazuri. Maxwell si-a adus contributia in acest sens, stabilind celebrele-i ecuatii electromagnetice , care i-au desvaluit mai intai teoretic existenta undelor electromagnetice, pe care fizicianul german H. Hertz le-a pus in evidenta experimental. Tot prin calcul, s-a ajuns la concluzia ca viteza de propagare in vid a undelor electromagnetice este egala cu viteza luminii, iar determinarile ulterioare au aratat natura electromagnetica a luminii. Este realizata astfel sinteza la care se referise Maxwell, a unui eter unic, sediu al fenomenelor electrice magnetice si luminoase. Eterul ramane totusi in scena, dar ramane de astadata in umbra electromagnetismului ca un fenomen catalizator.

Incercarile de a elabora un model unic pentru eter, in scopul desvaluirii intuitive a fenomenului electromagnetic au ramas fara rezultat, cu toate stradaniile lui Maxwell si ale altor fizicieni. In anul 1880 exista in europa, disputa a doua grupari de fizicieni, privind antrenarea, sau neantrenarea eterului de catre pamant in miscarea sa orbitala, cu gandul la determinarea unui punct fix in univers. Pentru clarificarea acestui fenomen, se imaginase un experiment, prin masuratori exacte a vitezelor de propagare a razei de lumina emisa si reflectata pe doua directii, una in sensul deplasarii orbitale a pamantului, cealalta perpendicular pe aceasta directie. Lungimile celor doua brate fiind identice, conditiile de propagare prin eter pe cele doua directii urmau sa arate sau nu o diferenta de timp la revenirea celor doua raze. Desi nu se intrevedea posibilitatea realizarii acestui experiment cu precizia necesara, el este efectuat totusi in anul 1881 de catre tanarul ofiter al marinei americane, fizicianul A. Michelson. Michelson, aflat intr-o permisie in europa, avand pasiunea si o indemanare deosebita pentru masurarea vitezei luminii, face schitele unui interferometru potrivit pentru masurarea eventualelor franje de interferenta si dupa realizarea si instalarea dispozitivului, are loc experimentul cu un rezultat negativ. Intre razele ce au parcurs cele doua brate ale interferometrului, nu au existat diferente semnificative. Speranta de a pune in evidenta un mediu fata de care sa poata fi masurata viteza absoluta a pamantului se spulberase. Fizicianul Hehdrik Anton Loorentz, in pofida rezultatului negativ al experimentului, ramane convins ca eterul este perfect imobil si pe aceasta baza elaboreaza pe parcursul a cinci ani, celebra sa teorie electronica, in care se regasesc ecuatiile fundamentale ale lui Maxwell ca un caz particular. Demonstratiile matamatice ale lui Lorentz, pun in evidenta faptul ca experimentul lui Michelson, ori cat de precis ar fi fost executat, nu putea inregistra o diferenta de viteza intre cele doua fascicule, chiar daca aceasta ar fi existat.

Referitor la eter, Lorentz enunta "Eterul este totdeauna si pretutindeni imobil. El nu este un fluid cu calitati materiale (densitate, elasticitate); este spatiul vid ale carui proprietati pur electromagnetice sunt descrise de ecuatiile lui maxwell, admise ca axiome".

In felul acesta, ipoteza eterului este practic scoasa din preocuparile fizicienilor.

Revenind la "elementele" lui Aristotel, (fig.5) sa le spunem medii si sa privim doua aspecte ale acestor medii. Mai intai aspectul stabilitatii, sau instabilitatii acestor medii. Pamantul, uscatul, are ca instabilitate miscarile seismice care se propaga sub forma de unde elestice, mediul modulat fiind scoarta terestra. Al doilea mediu, apa, are ca instabilitate miscarile masei lichide, cu aspectul caracteristic de suprafata, valurile, care deasemeni au caracter ondulatoriu. Urmatorul mediu, mediul atmosferic, are si el o perturbatie caracteristica, sub forma de unde acustice, mediul modulat fiind aerul. In sfarsit, sarim peste foc si constatam ca eterul, mediul cosmic, este infinit si-l cunoastem mai putin sau deloc. Totusi, lui trebuie sa-I atribuim ca instabilitate, spectrul electromagnetic (fig.6). Celalalt aspect al acestor medii, este cunoasterea si folosirea proprietatilor lor, in domeniul transporturilor. Ca trasaturi generale, se observa ca fiecare din aceste medii, a fost cucerit la inceput cu mijloace rudimentare, apoi dupa multe variante, se ajunge la aparatele de performanta. Daca pe uscat si pe apa, intre debut si performanta au trecut mii de ani, mediului atmosferic i-a trebuit mai putin de un secol. Mediul terestru, uscatul, este mediul pentru care s-a inventat roata (fig.7). Dupa mii de ani, roata a devenit automobil, cu mijloace de propulsie si manevrare corespunzatoare acestui mediu "drumul". Daca automobilul ar putea fi trimis in timpurile inventatorului rotii, ar fi aparut ca obiect supranatural.

Mediul acvatic, a avut probanil ca prim mijloc de transport piroga, un trunchi de copac scobit, in care se aseza unul sau mai multi canotori (fig.8). Vaporul, masina de performanta, are mijloace de propulsie si manevra, principial diferite de ale automobilului, apa fiind mediul care a impus stiintific aceste mijloace. Ce impresie ar fi facut un vapor trimis peste milenii, sub privirile canotorilor din piroga? Primele mijloace de transport din atmosfera, ilustreaza tendinta de preluare a unor elemente de propulsie, de la mijloacele celorlalte medii, unde erau eficace. De fapt si unele tipuri de vapoare foloseau ca mijloc de propulsie roata cu zbaturi, preluata de la mijloacele terestre, ca apoi balonul sa preia drept nacela forma de corabie si vaslele ca mijloc de propulsie (fig.9). Daca balomul a fost "piroga" mediului atmosferic, avionul cu reactie este masina de performanta. Din aceasta familie de aparate s-a desprins racheta, care a parasit atmosfera si a patruns in eter, in spatiul cosmic. Dar, dupa modul cum au fost cucerite celelalte medii, este usor de observat, ca de fapt racheta este "piroga" spatiului cosmic (fig.10). Atunci, cum ar putea arata nava de performanta a acestui mediu? Se desprinde din aceasta prezentare, ideea ca numai dupa cunoasterea temeinica a mediului casmic, numai dupa descoperirea unui principiu fenomenologic si tehnologic, care sa ne permita "sprijinirea" pe acest mediu, vom putea construi nava de performanta.

ATOM

Notiunea de atom - particula indivizibila - ne vine din antichitate, desvoltata de Democrit din Abdera (420 ien.), probabil ca raspuns la filozofia idealista. Atomii erau in imaginea lui Democrit, constituienti ai universului (fig.11), care se miscau in vidul gol, o alta notiune pentru combaterea careia oamenii vor ajunge mai tarziu la un sir de descoperiri privind legile gazelor, masina cu aburi, etc. Atomii lui Democrit aveau diferite forme geometrice, prin combinarea carora sa rezulte variatele forme ale lucrurilor, iar miscarea lor justifica ideia de transformare. Ipoteza corpusculara, atomista, este reactualizata de Gasendi (1592-1655) preot, astronom, matematician si filozof, care considera atomii particule de masa, in stare de inertie, cu posibilitati de miscare in vidul a carei existenta fusese demonstrata de Toricelli .

Modelul static al atomului

Spre sfarsitul secolului nouasprezece, avalansa de descoperiri declansata de realizarile teoretice si practice in domeniul electricitatii, conduce la necesitatea imaginarii unui model al structurii atomului. Din studiul razelor catodice, se ajunge la concluzia ca acestea sunt sarcini electrice negative si unitatea de sarcina a fost numita electron, de catre Johnston Stoney in anul 1894. Aapoi, aceasta denumire a trecut asupra particulei insasi.

J.J.Thomson (1856-1940), constatand ca electronii sunt extrasi din cele mai diferite substante, ca sunt particule identice si indivizibile, considera ca ei trebuie sa provina din atom, fiind deci constituienti ai acestuia.

In 1903 Thomson elaboreaza modelul static al atomului (fig.12), considerand atomul, o masa sferica incarcata uniform cu electricitate pozitiva, in interiorul careia se aflau electronii cu sarcina negativa, care pot fi extrasi prin iradiere. Sarcinile negative trebuind sa fie egale cu sarcinile pozitive, pentru ca atomul sa fie neutru din punct de vedere electric. Modelul static al atomului nu a putut fi adoptat, prin faptul ca nu explica unele fenomene cum ar fi coexistenta sarcinilor pozitive si negative, emisia si absorbtia radiatiilor etc. Au fost propuse apoi unele modele dinamice, dar pastrau aceleasi carente ca si modelul static. Se discuta in primul rand problema locului ocupat de sarcinile electrice, daca ele sunt distribuite in tot volumul atomului, sau sunt localizate intr-o zona restransa.

Modelul planetar al atomului

Pentru a da raspuns acestor intrebari, se face apel la ezperiment. Ernest Rutherford proiecteaza un fascicul paralel de radiatii alfa - atomi de heliu cu doua sarcini pozitive si masa de 7000 ori masa electronululi - asupra unei foite de aur cu grosimea de aproximativ trei straturi atomice si studiaza forma acestui fascicul, dincolo de foita, folosind scintilatiile produse pe un ecran fluorescent, fenomen numit apoi "imprastiere Rutherford" (fig.13). Ca sursa de particule alfa accelerate, a folosit un cuptoras cu substanta radioactiva.

Informatiile furnizate de acest experiment, au permis lui Rutherford sa elaboreze modelul atomic planetar (fig.14), determinandu-i si principalele dimensiuni. In acest model apare pentru prima data notiunea de nucleu atomic, o zona foarte restransa aflata in centrul atomului, unde se afla aproape intreaga masa a atomului si sarcinile pozitive. Asemeni sistemului planetar al soarelui, sarcinile electrice negative, electronii, se rotesc in jurul nucleului, sub actiunea fortelor de atractie electrostatice puse in evidenta cu certitudine de experiment, echilibrate de fortele centrifuge ale electronolor. Functionarea acestui model, explica proprietatile magnetice, optice si chimice ale atomului, ca fenomene determinate de proprietatile invelisului electronic. Publicarea lui in 1911, face sa fie cunoscut repede de fizicieni si sa apara primele critici. Pe plan teoretic, electronul ca sarcina negativa in miscarea lui orbitala, conform legilor electrodinamicii, ar fi trebuit sa emita permanent energie electromagnetica si in cele din urma, consumandu-si energia, sa cada pe nucleu. Aceasta observatie a ramas in istoria fizicii sub numele de "catastrofa atomului" (fig.15). Asa cum se poate vedea in fig.16, modelul nu este o copie fidela a sistemului solar, modelul atomic planetar permite orice plan al orbitelor electronice, in timp ce planetele se rotesc in planul ecuatorial al soarelui, cu mici exceptii. Discutiile si experimentele indicau doua directii posibile: ori modelul era gresit, ori legile electrodinamicii isi pierd valabilitatea la acest nivel. Fizicianul danez Niels Bohr (1913) a rezolvat aceasta dilema, folosindu-se de teoria cuantica a lui Planck. Max Planck, studiind distributia spectrala si legile radiatiei corpurilor incalzite, observa (1900) ca imaginea clasica a unor oscilatori ce emit continuu energie, nu corespunde fenomenului real si a introdus ideia cuantificarii energiei acestor oscilatori. Deci, oscilatorii care emit sau absorb radiatii, pot avea numai anumite energii, care sunt multipli unei cuante de energie E=hn. Bohr, colaborator al savantului Rutherford, folosindu-se de cele mai noi rezultate ale cercetarilor in domeniu si aplicand teoriile introduse de mecanica cuantica, unde sunt lamurite fenomenele de absorbtie si emisie a radiatiei, formuleaza urmatoarele postulate:

1) Electronii se misca in atomi pe orbite determinate, stationare, al caror nivel Energetic nu poate varia continuu, ci numai discontinuu, cuantificat, fiind multiplu intreg de h/2p. Miscarea electronilor pe orbite se face fara emisie si fara absorbtie de energie.

2) Trecerea unui electron de pe o orbita stationara pe alta se face cu emisie sau absorbtie de energie, energia cuantei emise sau absorbite fiind egala cu diferenta energiilor celor doua niveluri intre care a avut loc trecerea electronului.

Pe baza postulatelor sale, Bohr analizeaza conditia de stabilitate pentru atomul de hidrogen, avand nucleul format dintr-un proton cu sarcina pozitiva si un electron care graviteaza pe o orbita circulara sub actiunea de atractie coulombiana intre nucleul pozitiv si electronul negativ, echilibrata de forta centrifuga a electronului. Rezultatele obtinute nu se pot aplica in totalitate si celorlalti atomi, impunandu-se necesitatea perfectionarii modelului.

Modelul atomic Bohr-Sommerfeld

A.Sommerfeld (1915) tot pe baza mecanicii cuantice, aduce ca noutate modelului atomic planetar, miscarea electronilor pe orbite eliptice, nucleul ocupand unul din focarele elipsei. Aceasta miscare impune electronului variatia permanenta a vitezei si masei sale, fara ca energia totala sa se modifice, fenomen numit "degenerare". La aceasta notiune noua, se adauga si altele ca "orbite penetrante", "structura fina a spectrului hidrogenuli" etc."Orbitele" electronice ale modelului atomic Bohr-Sommerfeld nu constituie o descriere exacta a realitatii, dar da posibilitatea interpretarii unor fenomene si comportari ale atomului investigat prin metode spectroscopice.

Studii si interpretari

Analiza spectroscopica, prin rezultatele ei concrete, releva necesitatea perfectionarii modelului atomic. Studiul experimental al radiatiei luminoase, pune in evidenta caracterul dual unda-corpuscul al fotonului. Louis de broglie (1925) emite ipoteza, ulterior

confirmata, ca si particulele elementare manifesta dualismul unda-corpuscul. Aceasta dualitate pune din nou fizica teoretica in fata unor dificultati deosebite, deoarece aplicam reprezentarea ce o avem di fizica clasica, in cazul proceselor atomice, unde convenisem ca isi pierd valabilitatea.

L. de Broglie mergand mai departe, concepe particula materiala ca un pachet de unde "de Broglie" care nu se imprastie in spatiu. Lucrarile lui Schrodinger (1926) pun bazele unei teorii unificate ale substantei si radiatiei, care va conduce apoi la teoria ce poarta numele "mecanica cuantica ondulatorie". In aceasta perioada se fac nenumarate incercari experimentale de masurare directa a unor marimi fizice caracteristice electronului. Dat fiind dimensiunile extrem de mici ale electronului, a imposibilitatii identificarii electronului de studiat dintre ceilalti electroni care sunt identici, cat si lipsa unor instrumente compatibile, incercarile au ramas fara rezultatele asteptate. Relatiile de incertitudine ale lui Heisenberg (1927) pun in evidenta faptul ca este imposibil sa se determine cu precizie pozitia si momentul cinetic al unui electron in acelasi timp. Aceasta datorita perturbatiilor introduse de instrumentele folosite, in raport cu sensibilitatea si micimea particulei. Mai mult, in interpretarea mecanicii cuantice acest lucru este imposibil, deoarece coordonatele si vitezele corespunzatoare lor, nu exista simultan. Aplicand mecanica cuantica ondulatorie modelului atomic, se ivesc notiunile "orbital electronic", "nor electronic" etc., chiar in cazul existentei unui singur electron, intelegandu-se prin acestea, zona cea mai probabil strabatuta de electron. Ecuatiile de incertitudine ale lui Heisenberg desfiinteaza practic reprezentarile clasice "intuitive" de orbite electronice cu raze si perioade de revolutie, recurgand la metode de interpretare pur matemetice.

Modelul vectorial al atomului

Modelul vectorial al atomului, transpune datele furnizate de spectroscopie sub forma de vectori, permitand o interpretare in acest context si a atomilor comlecsi, pe langa regasirea principalelor date deja cunoscute. Acest model nu ofera o reprezentare completa a realitatii, el fiind un instrument necesar in continuarea cercetarilor privind fenomenele atomice.

Nucleul atomic

Investigatiile facute de Rutherford asupra atomului, i-au permis sa faca aprecieri si asupra nucleului, constatand ca ocupa un spatiu foarte restrans, in centrul atomului, contine aproape intreaga masa a atomului si are sarcina pozitiva. Referindu-se la cel mai usor element, hidrogenul, care ocupa primul loc in tabloul elementelor, Rutherford propune ca nucleul acestuia care are o sarcina pozitiva egala cu a electronului, sa fie considerat ca unitate de sarcina electrica si il numeste "proton". Deci, sarcina pozitiva a unui proton, anuleaza sarcina negativa a unui electron, devenind neutru din punct de vedere electric. S-a dedus ca protonul are masa de 1836 ori masa electronului. Se intelege de aici, ca nucleele celorlalte elemente consecutiv mai grele, vor avea un numar corespunzator mai mare de protoni cu sarcini pozitive. Dar imediat apare observatia ca atomul de heliu ar trebui sa aiba patru sarcini pozitive (fig.17a), avand numarul de masa 4. Ori se stie ca heliul are doua sarcini pozitive si doi electroni. Aceeasi situatie s-a constatat si la celelalte elemente. S-a presupus ca pe langa protoni, nucleul contine si electroni, pentru a anula o parte din sarcina pozitiva. Aceasta structura protono-electronica (fig.17b), a fost considerata valabila pana in anul 1930, intrucat explica unele fenomene. Parametrii electronului si in primul rand dimensiunile lui, care sunt comparabile cu ale nucleului, infirma valabilitatea acestei structuri. Se impune astfel, gasirea unui model de structura, care sa contina pe langa proton si o alta particula avand aceleasi caracteristici cu ale protonului, dar fara sarcina electrica. Aceasta particula a fost pusa in evidenta in anul 1932 si a fost numita "neutron". Structura nucleului continand protoni si neutroni (fig.17c) este forma considerata reala si cercetarile ulterioare au permis oamenilor de stiinta realizari practice si teoretice de mare insemnatate in fizica moderna. Protonii si neutronii fiind particule componente ale nucleului si fiind foarte asemanatoare, au primit numele general de "nucleoni". In structura nucleului vor mai fi considerate si alte particule, pentru a-i confei logica si stabilitatea ce il caracterizeaza. Intre intrebarile care se puneau, era cum pot coexista sarcinile pozitive in nucleu, stiind ca sarcinile electrice de acelasi semn se resping. Mai mult, constatarea este ca nucleonii nu numai ca nu se resping, dar se tin strans legati cu forte foarte puternice, fortele nucleare. Acestor forte li s-au conferit o natura speciala, un camp special numit camp "mezonic". Asa cum interactiunea dintre sarcinile electrice vazuta prin prisma mecanicii cuantice, este mijlocita de campul electromagnetic printr-un schimb de fotoni, tot asa interactiunea dintre nucleoni se realizeaza prin intermediul campului mezonic si a particulelor de schimb numite "mezoni". Referitor la masa atomului, s-a aratat ca nucleul contine aproape intreaga masa a atomului. A existat propunerea ca unitatea de masa sa fie considerat nucleul atomului de hidrogen, adica protonul. S-a observat insa, ca suma maselor nucleonilor dintr-un nucleu compus, este mai mare decat masa nucleului respectiv. Aceasta diferenta se numeste defect de masa si se regaseste de fapt in energia de legatura intre nucleoni. Pentru a aprecia mai bine masa atomului, s-a adoptat printr-o conventie internationala in 1962 unitatea de masa atomica "u", exprimata prin a douasprezecea parte din masa carbonului 12. Aceasta ar fi o privire simpla asupra atomului siasupra nucleului sau. Lucrurile s-au complicat odata cu cercetarea fenomenului de radioactivitate, fenomen ce se refera la dinamica modificarilor in timp a structurii nucleelor unor elemente. Cercetarea in acest domeniu se face principial prin bombardarea elementului de studiat, cu ajutorul unor particule puternic accelerate, care pot patrunde in nucleele tinta (fig.18), realizandu-se interactiuni la acest nivel. Rezultatul interactiunilor, fracmentele expulzate, sunt analizate cu aparatura de detectie, care in cea mai mare parte analizeaza efectele fracmentelor. Interpretarea acestor informatii, a condus la inventarierea unei multimi de particule elementare provenite din nucleu, complicand foarte mult structura acestuia.